Leistungssteuerung und Schutz von Systemen – Lösungen von Littelfuse und IXYS
Die bei TME verfügbaren Lösungen von Littelfuse umfassen sowohl Komponenten zur Steuerung und Umwandlung von Energie als auch Elemente zum Schutz von Systemen vor Überspannungen. Die zum Hersteller gehörende Marke IXYS spezialisiert sich unter anderem auf Leistungshalbleiter – Dioden, MOSFET- und IGBT-Transistoren. Ergänzt werden diese durch Littelfuse-Lösungen für den Überspannungsschutz, darunter Varistoren und gasgefüllte Überspannungsableiter (GDT).
Schnelle Dioden dort, wo auch Schaltverluste zählen
In Gleichrichter- und Umrichterschaltungen arbeitet die Diode nicht immer mit Netzfrequenz. In Schaltnetzteilen oder Umrichtern kann sie sehr schnell zwischen Leit- und Sperrzustand wechseln, weshalb neben dem zulässigen Strom und der Spannung auch ihre dynamischen Parameter an Bedeutung gewinnen.
Für solche Anwendungen sind unter anderem bei TME verfügbare IXYS-Diodenmodule DSEI2X61-04C, DSEI2X61-10B und DSEI2X61-12B vorgesehen. Es handelt sich um schnelle Dioden aus der FRED-Familie (Fast Recovery Epitaxial Diode), die sich durch eine kurze Sperrverzögerungszeit auszeichnen. Die Begrenzung der Schaltverluste führt zu einer geringeren Wärmeabgabe und ermöglicht es, die Effizienz von Systemen zu steigern, die mit hoher Frequenz arbeiten.
MOSFET-Module von IXYS
Bei der Auswahl von MOSFET-Transistoren treten deutlich mehr Variablen auf. Diese Elemente fungieren als sehr schnelle elektronische Schalter und werden unter anderem in DC/DC-Wandlern, Schaltnetzteilen, USV-Netzteilen und Antriebssteuerungen eingesetzt.
Unter den bei TME verfügbaren IXYS-Produkten befinden sich sowohl Transistormodule, z.B. IXFN100N50P, IXFN132N50P3, IXFN210N20P, IXFN360N10T oder IXFN420N10T, als auch diskrete Transistoren wie IXFH170N25X3, IXFR48N60P, IXFX210N30X3, IXFX27N80Q und IXTK120N25P. Bei der Auswahl solcher Produkte müssen mehrere Parameter miteinander verglichen werden:
- maximale Drain-Source-Spannung,
- zulässiger Drain-Strom,
- RDS(on)-Widerstand im leitenden Zustand,
- Schaltparameter und -verluste,
- zulässige Verbindungstemperatur und Kühlbedingungen,
- Betriebsfrequenz und Lastcharakteristik.
Jeder dieser Parameter beeinflusst das Verhalten des Transistors in einem bestimmten System. Ein niedriger RDS(on)-Wert ermöglicht es, Verluste während der Leitung zu begrenzen, aber in Systemen, die mit hoher Frequenz arbeiten, können auch die dynamischen Parameter des Transistors von Bedeutung sein. In einem Hochspannungssystem wird hingegen die erforderliche Sperrspannung die grundlegende Einschränkung sein.
Wichtig ist, dass diese Produkte nicht auf einer einzigen MOSFET-Konstruktion basieren. Unter den bei TME verfügbaren Modellen befinden sich Lösungen, die verschiedene IXYS-Technologien nutzen, darunter:
- Polar,
- Polar3,
- X3-Class,
- Q-Class,
- Trench Gate.
Die einzelnen Konstruktionen sind für den Betrieb in verschiedenen Spannungs-, Strom- und Frequenzbereichen ausgelegt, weshalb zwei MOSFET-Transistoren mit scheinbar ähnlichen Grundparametern sich in derselben Anwendung unterschiedlich verhalten können.
Die Auswahl sollte daher den gesamten Arbeitszyklus des Transistors berücksichtigen. Eine Überdimensionierung des Elements nur in Bezug auf den maximalen Strom löst das Problem nicht, wenn während des tatsächlichen Betriebs die Schaltverluste dominieren oder die Konstruktion des Geräts keine effektive Wärmeabfuhr ermöglicht.
IGBT-Transistoren in Hochspannungssystemen
MOSFET ist nicht die einzige Lösung, die als Halbleiterschalter eingesetzt wird. In Systemen, die bei hohen Spannungen arbeiten, werden auch IGBT-Transistoren verwendet.
Die einzelnen Modelle unterscheiden sich vor allem in der zulässigen Kollektor-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom, wodurch sie an verschiedene Arbeitsbedingungen angepasst werden können. Zwei extreme Beispiele zeigen dies gut: Der IXYK120N120C3 ist für den Betrieb bei einer Kollektor-Emitter-Spannung von bis zu 1,2 kV und einem Kollektorstrom von 120 A ausgelegt, während der IXGH2N250 eine Spannung von bis zu 2,5 kV bei einem Kollektorstrom von 2 A erreicht (bei einer Gehäusetemperatur von 110 °C).
Hohe Spannungs- und Stromwerte allein entscheiden jedoch nicht über den Einsatz von IGBT anstelle von MOSFET. Bei der Auswahl müssen gleichzeitig Spannung und Strom, Schaltfrequenz, Leistungsverluste und thermische Bedingungen berücksichtigt werden. Erst die Kombination dieser Parameter mit den Anforderungen eines bestimmten Systems ermöglicht es, zu entscheiden, welcher Transistortyp geeignet ist.
Woher kommen Überspannungen und warum benötigen Halbleiter Schutz?
Effiziente Leistungssteuerung reicht nicht aus, wenn das Schaltelement einer Spannung ausgesetzt wird, die seine zulässigen Parameter überschreitet. Eine solche Gefahr kann auch in einem korrekt entworfenen und betriebenen Gerät auftreten. Quellen von Überspannungen können unter anderem sein:
- Blitzschläge und Überspannungen aus dem Versorgungsnetz,
- Ein- und Ausschalten von induktiven Lasten, z.B. Motoren, Transformatoren oder Schütze,
- plötzliche Stromänderungen innerhalb des leistungselektronischen Systems.
Ein Impuls kann sehr kurz sein, aber eine Spannung erreichen, die ausreicht, um den Halbleiter zu beschädigen oder seine Degradation zu beschleunigen. Der Schutz sollte die Störenergie aufnehmen oder die Spannung auf ein für die geschützte Elektronik sicheres Niveau begrenzen.
Littelfuse-Varistoren und -Schutzgeräte
Im TME-Angebot ergänzen IXYS-Halbleiter die Littelfuse-Komponenten zum Schutz vor Überspannungen. Dazu gehören unter anderem gasgefüllte Überspannungsableiter der CG-Serie sowie metalloxidische Varistoren TMOV und LA.
GDT-Schutzgeräte und MOV-Varistoren – ähnliches Ziel, unterschiedliche Funktionsweise
Gasgefüllte Überspannungsableiter GDT der CG-Familie haben im Normalbetrieb einen sehr hohen Widerstand. Nach Überschreiten einer bestimmten Spannung kommt es zu einer Entladung und das Element beginnt, Stoßstrom zu leiten. Die geringe Kapazität ermöglicht es, dass GDT den Stromkreis schützen können, ohne die übertragenen Signale wesentlich zu beeinflussen. Die bei TME verfügbaren Littelfuse-Schutzgeräte der CG-Familie werden unter anderem in Datenübertragungssystemen, Telekommunikationsgeräten sowie zum Schutz von Audio- und Videoeingängen und -ausgängen eingesetzt.
Anders funktionieren metalloxidische Varistoren MOV. Nach Überschreiten einer bestimmten Spannung sinkt ihr Widerstand stark ab, wodurch sie Strom leiten und den Wert der Überspannung begrenzen. Unter den bei TME verfügbaren Littelfuse-Produkten befinden sich unter anderem Varistoren der LA-Serie. Bei ihrer Auswahl werden vor allem die maximale Betriebsspannung, die Varistorspannung, der zulässige Stoßstrom und die Impulsenergie berücksichtigt.
TME bietet auch TMOV-Varistoren mit thermischem Schutz an. Bei übermäßigem Temperaturanstieg ermöglicht dieser, den Varistor vom Stromkreis zu trennen und bietet zusätzlichen Schutz vor den Folgen seiner Überhitzung.
Wie kombiniert man Leistungssteuerung mit dem richtigen Schutz?
Die Auswahl von Komponenten für ein leistungselektronisches System erfordert die Berücksichtigung sowohl der Bedingungen seines normalen Betriebs als auch möglicher Störungen. Bei MOSFET und IGBT sind unter anderem Spannung, Strom, Schaltfrequenz und Leistungsverluste von Bedeutung. Schutzkomponenten werden hingegen unter Berücksichtigung der Art und Parameter von Überspannungen ausgewählt, denen das System ausgesetzt sein könnte. Unterschiedliche Schutzeigenschaften erfordern den Schutz des Versorgungseingangs vor einem starken externen Impuls und die Begrenzung von Überspannungen, die während des Betriebs induktiver Elemente entstehen. Es reicht also nicht aus, einen geeigneten Halbleiter und ein Schutzgerät separat auszuwählen, da ihre Parameter den Arbeitsbedingungen desselben Systems entsprechen sollten.
Die bei TME verfügbaren IXYS- und Littelfuse-Produkte umfassen sowohl Halbleiter, die für die Gleichrichtung und Umschaltung von Energie verantwortlich sind, als auch Komponenten zum Schutz vor Überspannungen. In beiden Fällen hängt die richtige Wahl nicht von einem einzelnen Parameter ab, sondern von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
